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控制核聚变反应的主要问题是什么?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2022-07-08 09:21:07

尽管花费了数万亿美元,在长达四分之三世纪的时间里,许多才华横溢、聪明的物理学家和工程师在舍伍德计划上付出了巨大努力,但至今还没有建造出能产生有用能量的地球聚变反应堆。即使有,也不太可能在这个千年建成。

但在宇宙中,有大量的聚变反应堆——几乎每一颗恒星(除了像超新星这样短命的外来恒星)都是一个巨大的聚变反应堆。更重要的是,大多数恒星在其生命周期的主要部分都是相对稳定的聚变反应堆(大体上是自我稳定的)。

为了克服原子核之间的强静电(库仑)排斥,在极高的温度和密度下发生有效的热核聚变,这往往会导致等离子体(在这种情况下,带正电的原子核和带负电的电子)在大量珍贵的特殊制备的原子核聚变之前迅速分离。等离子体约束是主要的技术问题,因为不能容忍超热等离子体与壁面接触。

这种等离子体与壁的接触不仅会彻底破坏等离子体壁,还会使等离子体受到高原子数(高z)核的致命污染。高z核会通过轫致辐射迅速并致命地冷却等离子体,使其低于充分聚变的阈值。

在陆地反应堆中,短暂的约束是由极磁场引起的,或者更简单地说,是由惯性引起的。磁约束(用于托卡马克,恒星机,镜像机…)本质上是不稳定的。

惯性约束聚变使用多个(通常是27个)聚焦的精确同步激光束或离子束汇聚在燃料球上,将其压缩到固体密度的几千倍。这个想法是让原子核在如此高的温度下(大约是太阳核心温度的100倍)靠得如此近,以至于它们中相当大的一部分在爆炸分离之前发生聚变。

著名物理学家爱德华·特勒(Edward Teller)将基于连续等离子体爆炸的反应堆描述为惯性聚变内燃机这需要最极端的压缩和加热:即使在地球表面最高的自然压力下(马里亚纳海沟的最深处),固体的密度也不到1.01倍,而不是DT惯性约束(激光)聚变中典型的10000倍,后者也会将燃料团加热到大约100倍太阳核心温度。这是几十年来为实现实际的地球核聚变动力而做出的极端努力的又一例证。

像我们的太阳这样的正常恒星,利用其巨大的引力限制其主要组成部分等离子体。太阳的核心温度仅仅是1500万开尔文(2700万华氏度)——因此它的核聚变能量密度远低于人类的代谢率——更像是一个活跃的堆肥堆!太阳核心-维基百科

这实在是太低了,除了用堆肥堆发电之外,还不足以用于实际的电站。地球上的聚变反应堆在太阳等离子体的温度和密度下产生能量,需要比有史以来最大的飞机大几百万倍。更不用说建造或飞行了!

然而,太阳的体积足够大(它的体积可以容纳100多万个地球),以至于到目前为止,即使地球与太阳相距遥远,它仍然是主要的能源。它驱动着地球上所有的生命和地球的气候循环。由于二氧化碳等温室气体的增加,大气的净保留力发生了微小的变化(温室效应),对地球热量和能量平衡的影响远比地球上所有的发电站、车辆、居民和工业所拒绝的热量大得多。

太阳是一个巨大而高效的天基聚变动力反应堆——到目前为止,它是太阳系的主要能源来源——尤其是太阳系内部被我们的地球所占据的部分。
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